JP5327540B2 - Separator for lithium ion secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用のセパレータに関する。 The present invention relates to a separator for a lithium ion secondary battery.
非水電解液を備えるリチウムイオン二次電池において、正極活物質層と負極活物質層との間に介在されるセパレータは、これら両活物質層の接触に伴う短絡を防止し、また該セパレータの空孔内に上記電解液を含浸させることにより電極間のイオン伝導パス(導電経路)を形成する役割を担っている。一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるセパレータの代表例としては、ポリエステルやポリプロピレン等のポリオレフィン類からなる単層または多層の多孔性膜が挙げられる。二次電池のセパレータに関する技術文献として、特許文献1〜6が挙げられる。 In a lithium ion secondary battery including a non-aqueous electrolyte, a separator interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer prevents a short circuit due to contact between the two active material layers, and the separator By impregnating the electrolyte in the pores, it plays a role of forming an ion conduction path (conduction path) between the electrodes. A typical example of a separator used for a general lithium ion secondary battery is a single layer or multilayer porous film made of polyolefins such as polyester and polypropylene. Patent documents 1-6 are mentioned as technical literature about a separator of a rechargeable battery.
リチウムイオン二次電池のセパレータには、電池および該電池が搭載された機器の安全性を確保する目的から、上記短絡防止機能に加えて、電池内が一定の温度域(典型的には該セパレータの融点(または軟化点))に達した際にイオン伝導パスを遮断して充放電を停止させ、電池の熱暴走を防ぐ機能(シャットダウン機能)が求められる。一般的なセパレータは、それを構成するポリオレフィンの融点(または軟化点)がシャットダウン温度となっており、該温度に到達すると、該セパレータの微細な空孔が溶融または軟化によって閉塞し、電極間のイオン伝導を遮断することにより充放電を停止させる仕組みとなっている。近年、リチウムイオン二次電池の応用範囲は急速に拡大しており、車両用その他、大容量の電源を必要とする分野においても利用が検討されていることから、リチウムイオン二次電池の安全性能およびその信頼性にも更なる向上が求められている。 In order to ensure the safety of the battery and the device in which the battery is mounted, the lithium ion secondary battery separator has a certain temperature range (typically the separator) in addition to the short-circuit prevention function. When the temperature reaches the melting point (or softening point) of the battery, a function (shutdown function) that interrupts the ion conduction path to stop charging and discharging and prevents thermal runaway of the battery is required. In a general separator, the melting point (or softening point) of the polyolefin constituting the separator is a shutdown temperature, and when this temperature is reached, the fine pores of the separator are blocked by melting or softening, and between the electrodes. The charging / discharging is stopped by blocking the ion conduction. In recent years, the application range of lithium-ion secondary batteries has been rapidly expanding, and the use of lithium-ion secondary batteries in vehicles and other fields that require large-capacity power supplies has been studied. Further improvement is also demanded for its reliability.
本発明は、より安全性能に優れ、信頼性の高いリチウムイオン二次電池を構築可能なリチウムイオン二次電池用セパレータを提供することを一つの目的とする。また、かかるセパレータを製造する方法を提供することを他の一つの目的とする。 An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery separator that is capable of constructing a lithium ion secondary battery that is more excellent in safety performance and high in reliability. Another object is to provide a method for producing such a separator.
本発明者は、従来のポリオレフィン製セパレータによると、破膜等により局所的な短絡が発生した場合、その部分における異常発熱でセパレータの破膜が拡大し、そこから更に短絡が拡大する不具合が起こり得ることに着目した。また、シャットダウン時にセパレータが熱収縮して該セパレータの被覆範囲が小さくなってしまうことから、充放電の停止が不完全になったり、両電極が接触して新たな短絡箇所が生じたりする不具合が発生し得ることに着目した。そして、これらの不具合を同時に回避する技術を見出して、本発明を完成させた。 According to the conventional polyolefin separator, when a local short circuit occurs due to a film breakage or the like, there is a problem that the film breakage of the separator expands due to abnormal heat generation in that part, and the short circuit further expands therefrom. Focused on getting. In addition, since the separator is thermally contracted at the time of shutdown and the coating range of the separator is reduced, there is a problem that charging / discharging is not completely stopped, or both electrodes are in contact with each other and a new short-circuit portion is generated. We focused on what could happen. And the technique which avoids these malfunctions simultaneously was discovered, and this invention was completed.
本発明によると、リチウムイオン二次電池の正極と負極との間に介在されるセパレータが提供される。このセパレータは、内部層としての多孔性ポリエチレン(PE)層と、外部層としての第1および第2の多孔性ポリプロピレン(PP)層と、を有する多孔性樹脂基材を備える。更に、上記多孔性樹脂基材の少なくとも第1面(片面)に付与された絶縁性のセラミックス層を備える。上記セラミックス層は、少なくとも無機フィラーとバインダとを含み、典型的には上記樹脂基材の片面に設けられるが、両面に設けられていてもよい。上記樹脂基材は、上記セラミックス層との界面部分(界面を含む外側部分)に表面改質層を含む。上記表面改質層を含む上記多孔性樹脂基材は、さらに、その改質面(上記表面改質層を有する側の面)に対して赤外分光法(Infrared(IR) Spectroscopy)により反射測定される赤外スペクトル(IRスペクトル)において、C=C結合の伸縮振動による吸光の強度αとメチル基中のC−H結合の対称変角振動による吸光の強度βとの比の値α/β(以下、単に「C=C/C−H強度比」ともいう。)が、0.015〜0.055の範囲にある、という特性を有する。 According to the present invention, a separator interposed between a positive electrode and a negative electrode of a lithium ion secondary battery is provided. The separator includes a porous resin base material having a porous polyethylene (PE) layer as an inner layer and first and second porous polypropylene (PP) layers as outer layers. Furthermore, an insulating ceramic layer provided on at least the first surface (one surface) of the porous resin substrate is provided. The ceramic layer includes at least an inorganic filler and a binder, and is typically provided on one side of the resin base material, but may be provided on both sides. The said resin base material contains a surface modification layer in the interface part (outer part containing an interface) with the said ceramic layer. The porous resin substrate including the surface modification layer is further subjected to reflection measurement by infrared spectroscopy (Infrared (IR) Spectroscopy) with respect to the modified surface (the surface having the surface modification layer). In the infrared spectrum (IR spectrum), the value α / β of the ratio between the intensity α of absorption due to stretching vibration of C = C bond and the intensity β of absorption due to symmetrical bending vibration of C—H bond in the methyl group (Hereinafter, also simply referred to as “C = C / C—H intensity ratio”) has a characteristic of being in the range of 0.015 to 0.055.
上記セパレータは、互いに融点の異なるPE層とPP層とを有する上記樹脂基材を備えるため、二段階シャットダウンが可能となる。すなわち、かかるセパレータによると、シャットダウン温度を、PEの融点(一般的には概ね125〜135℃程度)およびPPの融点(例えば、155〜165℃程度)の二段階に設定することができる。また、融点の低いPE層が融点の高いPP層に挟まれた態様をなすことから、PEの融点(第1のシャットダウン温度)付近ではほとんど収縮のないPP層によりPE層の熱収縮を抑制することができる。加えて、PPの融点においても熱収縮の少ないセラミックス層を備えることから、PPの融点(第2のシャットダウン温度)に到達した際のPP層の熱収縮をも抑制することができる。これにより、セパレータの熱収縮による不具合を効果的に回避し、シャットダウン機能の信頼性を向上することができる。 Since the separator includes the resin base material having a PE layer and a PP layer having different melting points, a two-stage shutdown is possible. That is, according to such a separator, the shutdown temperature can be set in two stages: the melting point of PE (generally about 125 to 135 ° C.) and the melting point of PP (for example, about 155 to 165 ° C.). Further, since the PE layer having a low melting point is sandwiched between PP layers having a high melting point, the thermal contraction of the PE layer is suppressed by the PP layer that hardly contracts near the melting point of the PE (first shutdown temperature). be able to. In addition, since the ceramic layer having a small thermal shrinkage is provided even at the melting point of PP, the thermal shrinkage of the PP layer when reaching the melting point of PP (second shutdown temperature) can also be suppressed. Thereby, the malfunction by the thermal contraction of a separator can be avoided effectively and the reliability of a shutdown function can be improved.
また、上記セパレータは、少なくとも片面に付与された上記セラミックス層により上記樹脂基材が保護される態様となっており、局所的短絡を引き起こす原因となり得る破膜の発生を抑制することができる。加えて、無機フィラーの融点はポリオレフィン類の融点よりも遥かに高いことから、局所的短絡が発生した場合においても、上記セラミックス層によって、上記樹脂基材の破膜拡大と短絡拡大との連鎖を防ぐことができる。また、上記セラミックス層によりセパレータの厚みが増し、電極間の距離がその厚み分長くなることも、短絡防止の信頼性向上に寄与し得る。更に、上記セパレータは、上記セラミックス層中の空孔にも電解液を含浸させることができるため、該セパレータ全体でより多くの電解液を保持することができる。すなわち、ここに開示されるセパレータによると、イオン伝導性を向上させつつ、上述のような優れた安全性能を実現することができる。また、セパレータの保持可能な電解液量がより多いことは、ハイレート充放電を行う態様で使用される電池(車両電源用電池等)において特に有利である。 Moreover, the said separator becomes the aspect by which the said resin base material is protected by the said ceramic layer provided at least on the single side | surface, and can suppress generation | occurrence | production of the film breakage which can cause a local short circuit. In addition, since the melting point of the inorganic filler is much higher than the melting point of polyolefins, even when a local short circuit occurs, the ceramic layer causes a chain between the film breakage expansion and the short circuit expansion by the ceramic layer. Can be prevented. In addition, the thickness of the separator is increased by the ceramic layer, and the distance between the electrodes is increased by the thickness, which can contribute to the improvement of the reliability in preventing the short circuit. Furthermore, since the separator can also impregnate the pores in the ceramic layer with the electrolytic solution, the separator can hold more electrolytic solution as a whole. That is, according to the separator disclosed here, the above-described excellent safety performance can be realized while improving the ionic conductivity. In addition, the fact that the separator can hold a larger amount of electrolyte is particularly advantageous in a battery (such as a vehicle power supply battery) used in a mode in which high-rate charge / discharge is performed.
更には、上記樹脂基材は、上記セラミックス層との界面部分に表面改質層を備え、該表面改質層を含む上記樹脂基材が上述のようなIRスペクトル特性を有する。かかる特性を有する樹脂基材は、表面改質前と比べて、上記セラミックス層に対する接着性が著しく高い一方、表面改質処理による基材の劣化(例えば、後述する突刺し強度試験によって把握され得る強度の低下。)は少なく、セパレータ基材として十分な強度を備えるものであり得る。すなわち、上記セパレータは、十分な強度を有し、且つ上記セラミックス層が上記樹脂基材に適度に投錨して剥落し難い構成となっている。
したがって、ここに開示されるセパレータは、優れた安全性能および高い信頼性が求められるリチウムイオン二次電池用セパレータとして好適である。
Furthermore, the resin base material includes a surface modification layer at an interface portion with the ceramic layer, and the resin base material including the surface modification layer has the IR spectrum characteristics as described above. The resin base material having such characteristics has extremely high adhesion to the ceramic layer as compared with that before the surface modification, while the deterioration of the base material due to the surface modification treatment (for example, a piercing strength test described later can be grasped). The decrease in strength.) Is small, and it may have sufficient strength as a separator substrate. That is, the separator has a sufficient strength, and the ceramic layer is appropriately cast on the resin base material and hardly peels off.
Therefore, the separator disclosed here is suitable as a separator for a lithium ion secondary battery that requires excellent safety performance and high reliability.
ここに開示されるセパレータの好ましい一態様では、上記表面改質層が、平均孔径が0.12μm以下の微細な空孔を有する。かかる表面改質層を有する樹脂基材は、上記セラミックス層に含まれる各種成分(無機フィラー、バインダ等)の粒子による目詰まりが起こり難いものであり得る。したがって、かかる表面改質層を備えた三層樹脂基材によると、より優れたイオン透過性を有するセパレータを形成することができる。なお、上記平均孔径は、SEM(Scanning Electron Microscope)画像等により、上記改質層表面の少なくとも一部を観察することにより確認および測定(把握)することができる。なお、この明細書において、平均孔径とは、上記空孔が略円状(略楕円状であり得る。)の場合は、その略円の直径(略楕円の場合、その長径)の平均値を意味する。上記空孔が略方形状(略長方形状であり得る。)の場合は、その略方形の一辺(略長方形の場合、その長辺)の平均値を意味する。 In a preferred embodiment of the separator disclosed herein, the surface modified layer has fine pores having an average pore diameter of 0.12 μm or less. The resin base material having such a surface modified layer may be hard to be clogged with particles of various components (inorganic filler, binder, etc.) contained in the ceramic layer. Therefore, according to the three-layer resin base material provided with such a surface modified layer, a separator having more excellent ion permeability can be formed. The average pore diameter can be confirmed and measured (understood) by observing at least a part of the surface of the modified layer with an SEM (Scanning Electron Microscope) image or the like. In this specification, the average pore diameter is the average value of the diameters of the substantially circles (the major axis in the case of a substantially ellipse) when the pores are substantially circular (may be substantially elliptical). means. In the case where the pores have a substantially square shape (can be a substantially rectangular shape), it means an average value of one side of the substantially rectangular shape (or a long side in the case of a substantially rectangular shape).
他の好ましい一態様では、上記セパレータは、上記セラミックス層に粘着テープを貼り付けて、剥離角度90°、引張速度100mm/分にて該セラミックス層を上記基材から剥離して測定される剥離強度が、3N/m以上であることを特徴とする。かかる特性を有するセパレータは、上記セラミックス層が、上記基材に対してより高度に投錨されたものであり得る。したがって、優れた安全性能を有し、より信頼性の高いセパレータが実現され得る。 In another preferred embodiment, the separator has a peel strength measured by attaching an adhesive tape to the ceramic layer and peeling the ceramic layer from the substrate at a peel angle of 90 ° and a tensile speed of 100 mm / min. Is 3 N / m or more. The separator having such characteristics may be one in which the ceramic layer is more highly applied to the substrate. Therefore, a separator having excellent safety performance and higher reliability can be realized.
本発明の他の側面として、ここに開示されるいずれかのセパレータを製造する方法が提供される。この製造方法は、以下の工程(A)〜(B)を包含する。
(A)多孔性樹脂基材の少なくとも第1面に表面改質処理を施して表面改質層を形成する工程。
(B)上記表面改質層上に、少なくとも無機フィラーとバインダとを含む絶縁性セラミックス層を形成する工程。
ここで、上記多孔性樹脂基材は、内部層としての多孔性PE層と、外部層としての第1および第2の多孔性PP層とを有する。また、上記(A)工程において、上記表面改質処理は、当該基材の改質面(上記表面改質層を有する面;第1面)に対して反射測定されるIRスペクトルにおける上記C=C/C−H強度比が、0.015〜0.055の範囲となるように実施される。
As another aspect of the present invention, a method of manufacturing any of the separators disclosed herein is provided. This manufacturing method includes the following steps (A) to (B).
(A) A step of performing a surface modification treatment on at least the first surface of the porous resin substrate to form a surface modification layer.
(B) A step of forming an insulating ceramic layer containing at least an inorganic filler and a binder on the surface modified layer.
Here, the porous resin base material has a porous PE layer as an inner layer and first and second porous PP layers as outer layers. In the step (A), the surface modification treatment is performed by the above-described C = C in the IR spectrum measured by reflection with respect to the modified surface of the substrate (the surface having the surface modified layer; the first surface). The C / C-H intensity ratio is carried out in a range of 0.015 to 0.055.
このように、上記C=C/C−H強度比が適切な範囲となるように表面改質処理を実施することによって、上記基材の強度を適切なレベルに維持しつつ、該基材の上記セラミックス層に対する接着性(該セラミックス層の該基材に対する投錨性としても把握され得る。)を著しく向上させることができる。したがって、かかる方法によると、上述のように優れた安全性能(短絡防止機能、シャットダウン機能等)を備え、かつ信頼性の高いセパレータが提供され得る。 Thus, by carrying out the surface modification treatment so that the C = C / C-H intensity ratio is in an appropriate range, the strength of the substrate is maintained at an appropriate level. Adhesiveness to the ceramic layer (which can also be grasped as anchoring property of the ceramic layer to the base material) can be remarkably improved. Therefore, according to this method, it is possible to provide a separator having excellent safety performance (short-circuit prevention function, shutdown function, etc.) and high reliability as described above.
ここに開示されるセパレータの製造方法の好ましい一態様では、製造されるセパレータが、長尺シート状の正極および負極とともに捲回されてリチウムイオン二次電池の捲回電極体を構成するための長尺シート状のセパレータであって、内部層としての多孔性ポリエチレン層と、外部層としての第1および第2の多孔性ポリプロピレン層とを有する長尺シート状の多孔性樹脂基材からなり、上記(A)工程において、コロナ放電の照射量を上記長尺シート状多孔性樹脂基材の送り速度10m/分のときに25〜110W・分/m2 に設定してコロナ放電を照射して表面改質層を形成する。かかる方法によると、上記C=C/C−H強度比が好適に実現され得る。 In a preferred aspect of the method for producing a separator disclosed herein, the produced separator is wound together with a long sheet-like positive electrode and negative electrode to form a wound electrode body of a lithium ion secondary battery. It is a long sheet-like separator, comprising a long sheet-like porous resin base material having a porous polyethylene layer as an inner layer and first and second porous polypropylene layers as outer layers, (A) In the step, the corona discharge is irradiated at the surface by setting the irradiation amount of the corona discharge to 25 to 110 W · min / m 2 when the long sheet-like porous resin substrate is fed at a feed rate of 10 m / min. A modified layer is formed. According to such a method, the above-mentioned C = C / CH intensity ratio can be suitably realized.
ここに開示されるセパレータ(ここに開示される方法により製造されたセパレータを含む。)は、上述のように、優れた安全性能(短絡防止機能、シャットダウン機能等)を高い信頼性で実現し得ることから、各種用途向けのリチウムイオン二次電池のセパレータとして好適である。したがって、本発明によると、他の側面として、ここに開示されるセパレータのいずれかを備えたリチウムイオン二次電池が提供される。また、かかる高度な安全性能のみならず、上述のようにより多くの電解液を保持することができるセパレータを備えた電池は、ハイレート充放電を行う態様で使用される用途(車載用等)に好適である。したがって、本発明によると、更に、ここに開示されるいずれかのリチウムイオン二次電池を備えた車両が提供される。特に、かかるリチウムイオン二次電池を動力源(典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源)として備える車両(例えば自動車)が好ましい。 As described above, the separator disclosed herein (including the separator manufactured by the method disclosed herein) can achieve excellent safety performance (short-circuit prevention function, shutdown function, etc.) with high reliability. Therefore, it is suitable as a separator for lithium ion secondary batteries for various applications. Therefore, according to the present invention, as another aspect, a lithium ion secondary battery including any of the separators disclosed herein is provided. In addition to such high safety performance, a battery equipped with a separator capable of holding a larger amount of electrolyte as described above is suitable for applications (such as in-vehicle use) used in a mode of performing high-rate charge / discharge. It is. Therefore, according to the present invention, there is further provided a vehicle including any one of the lithium ion secondary batteries disclosed herein. In particular, a vehicle (for example, an automobile) including such a lithium ion secondary battery as a power source (typically, a power source of a hybrid vehicle or an electric vehicle) is preferable.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
本発明により提供されるセパレータは、多層構造の多孔性樹脂基材と、その少なくとも第1面に付与された絶縁性のセラミックス層と、を備える。このセパレータは、典型的には長尺シート状に形成されるが、かかる態様に限定されず、該セパレータが用いられる二次電池の形状に応じて種々の形状に加工され得る。 The separator provided by the present invention includes a porous resin base material having a multilayer structure and an insulating ceramic layer applied to at least a first surface thereof. The separator is typically formed in a long sheet shape, but is not limited to such a form, and can be processed into various shapes depending on the shape of the secondary battery in which the separator is used.
ここに開示されるセパレータは、例えば、図1に模式的に示される断面構造を有するものであり得る。図1は、多孔性樹脂基材の片面にセラミックス層を有するセパレータの構成例である。図1に示すセパレータ50は、基材200の第1面(第1PP層220上)にセラミックス層300が設けられた構成となっている。基材200は、内部層としての多孔性PE層210が外部層としての多孔性PP層220,230に挟まれた態様をなす。このPP層220は、セラミックス層300との界面部分に表面改質層221を有する(含む)。ここで、セラミックス層が設けられていないPP層230は、表面改質層を有しても有さなくてもよい。典型的には、セラミックス層が設けられたPP層220のみが表面改質層を有する。図示しないが、ここに開示されるセパレータは、セラミックス層300が、基材200の両面(第1PP層220上および第2PP層230上)に設けられた構成を有するものであり得る。かかる構成の場合、PP層220,230の少なくともいずれかが、セラミックス層300との界面部分に表面改質層を有していればよく、典型的にはPP層220,230ともに表面改質層を有する。
The separator disclosed here may have, for example, a cross-sectional structure schematically shown in FIG. FIG. 1 is a configuration example of a separator having a ceramic layer on one side of a porous resin substrate. The
上記多孔性樹脂基材は、二層のPP層の間に一層のPE層が挟まれた態様の多孔性樹脂フィルム(以下、かかるフィルムを、単に「樹脂フィルム」ということもある。)のセラミックス層を付与する面(片面または両面)に対して、表面改質処理を施すことにより形成することができる。以下、図1に示される実施形態につき、本発明の詳細について説明するが、かかる実施形態に制限することを意図したものではない。 The porous resin base material is a ceramic of a porous resin film in which one PE layer is sandwiched between two PP layers (hereinafter, this film may be simply referred to as “resin film”). It can form by performing a surface modification process with respect to the surface (one side or both sides) which provides a layer. Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the embodiment shown in FIG. 1, but is not intended to be limited to the embodiment.
上記PE層は、融点が120℃〜140℃(典型的には125℃〜135℃)程度のPEから構成されることが好ましい。かかるPEとしては、一般に高密度ポリエチレン、あるいは直鎖状(線状)低密度ポリエチン等と称されるポリエチレンが例示される。
上記第1,第2PP層は、それぞれ融点が150〜170℃(典型的には155℃〜165℃)程度のPPから構成されることが好ましい。かかるポリプロピレンとしては、アイソタクチックポリプロピレン、シンジオタクチックポリプロピレン等が例示される。両PP層の融点は、互いに同じであってもよく、異なってもよい。典型的には、両PP層の融点は略同等である。
The PE layer is preferably composed of PE having a melting point of about 120 ° C to 140 ° C (typically 125 ° C to 135 ° C). Examples of such PE include polyethylene generally referred to as high-density polyethylene or linear (linear) low-density polyethylene.
The first and second PP layers are preferably composed of PP having a melting point of about 150 to 170 ° C. (typically 155 to 165 ° C.). Examples of such polypropylene include isotactic polypropylene and syndiotactic polypropylene. The melting points of both PP layers may be the same or different. Typically, the melting points of both PP layers are approximately the same.
上記樹脂フィルムとしては、一軸延伸または二軸延伸され、多孔性に加工されたものが用いられる。中でも、長手方向に一軸延伸された多孔性樹脂フィルムは、適度な強度を備えつつ、幅方向の熱収縮が少ないため好ましい。例えば、かかる長手方向一軸延伸樹脂フィルムから形成された長尺シート状のセパレータによると、長尺シート状の正極および負極とともに捲回された態様の電極体において、長手方向の熱収縮もが抑制され得る。したがって、長手方向に一軸延伸された多孔性樹脂フィルムは、かかる捲回電極体を構成するセパレータの基材材料として好適である。 As said resin film, what was uniaxially stretched or biaxially stretched and processed into porosity is used. Among these, a porous resin film that is uniaxially stretched in the longitudinal direction is preferable because it has an appropriate strength and has little heat shrinkage in the width direction. For example, according to a long sheet-shaped separator formed from such a longitudinally uniaxially stretched resin film, in the electrode body wound together with the long sheet-shaped positive electrode and negative electrode, longitudinal heat shrinkage is also suppressed. obtain. Therefore, a porous resin film uniaxially stretched in the longitudinal direction is suitable as a base material for a separator constituting such a wound electrode body.
上記樹脂フィルムの総厚(全厚み)は、10μm〜30μm程度であることが好ましく、15μm〜25μm程度であることがより好ましい。PE層および第1,2PP層の各厚みは、同じであってもよく、異なってもよい。好ましくは、PE層の厚みを4μm〜10μm程度とし、総厚が上記範囲となるように第1PP層および第2PP層の厚みを適宜選択する。上記樹脂フィルムの総厚が大きすぎると、形成されたセパレータのイオン伝導性が低下する場合がある。上記総厚が小さすぎると、表面改質処理により破膜する場合がある。 The total thickness (total thickness) of the resin film is preferably about 10 μm to 30 μm, and more preferably about 15 μm to 25 μm. The thicknesses of the PE layer and the first and second PP layers may be the same or different. Preferably, the thickness of the PE layer is about 4 μm to 10 μm, and the thicknesses of the first PP layer and the second PP layer are appropriately selected so that the total thickness is in the above range. If the total thickness of the resin film is too large, the ion conductivity of the formed separator may be lowered. If the total thickness is too small, the film may be broken by the surface modification treatment.
上記樹脂フィルムの総空孔率は、40〜60%(より好ましくは45〜55%)程度であることが好ましい。第1PP層の空孔率は、20〜30%程度であることが好ましく、第2PP層の空孔率は、典型的には第1PP層と同程度である。上記PE層の空孔率は、両PP層よりも高いことが好ましく、例えば、50%〜80%程度とすることができる。このように、内部層たるPE層の空孔率を高くすることにより、十分な量の電解液を保持可能なセパレータを形成することができる。また、空孔率の低いPP層を外部層として用いることにより、PP層自体の熱収縮率が小さくなり、PEの熱収縮をより効果的に低減することができる。上記総空孔率が低すぎると、セパレータの保持可能な電解液量が少なくなり、イオン伝導性が低下する場合がある。上記総空孔率が高すぎると、強度が不足して、破膜が起こりやすくなることがある。
上記樹脂フィルムの透気度は、例えば、200〜500秒/100cc程度が好ましい。なお、上記透気度としては、JIS P8117に準じて測定された値を採用するものとする。
The total porosity of the resin film is preferably about 40 to 60% (more preferably 45 to 55%). The porosity of the first PP layer is preferably about 20 to 30%, and the porosity of the second PP layer is typically about the same as that of the first PP layer. The porosity of the PE layer is preferably higher than both PP layers, and can be, for example, about 50% to 80%. Thus, the separator which can hold | maintain sufficient amount of electrolyte solution can be formed by making the porosity of PE layer which is an inner layer high. Further, by using a PP layer having a low porosity as an external layer, the thermal shrinkage rate of the PP layer itself can be reduced, and the thermal shrinkage of PE can be more effectively reduced. If the total porosity is too low, the amount of electrolyte that can be held by the separator decreases, and the ionic conductivity may decrease. If the total porosity is too high, the strength may be insufficient and membrane breakage may occur.
The air permeability of the resin film is preferably about 200 to 500 seconds / 100 cc, for example. In addition, as the air permeability, a value measured according to JIS P8117 is adopted.
上記セラミックス層が付与される第1PP層は、表面改質前において、平均孔径が0.01μm〜0.1μm程度であることが好ましい。改質前の平均孔径が大きすぎると、表面改質処理の条件によっては、該改質処理の影響が基材深部にまで及び、基材が劣化して、セパレータを作製する際の加工性や作製されたセパレータの強度(突刺し強度等)が低下しやすくなる場合がある。改質前の平均孔径が小さすぎると、セパレータのイオン透過性が十分でない場合がある。
第2PP層の平均孔径は、第1PP層と略同等とすることが好ましい。また、PE層の平均孔径は、より高い空孔率を確保する目的から、両PP層よりも大きいことが好ましい。
上記樹脂フィルムとしては、上述のような特性を備える市販品をそのまま用いてもよく、従来公知の方法に従って製造したものを用いてもよい。
The first PP layer to which the ceramic layer is applied preferably has an average pore diameter of about 0.01 μm to 0.1 μm before surface modification. If the average pore diameter before the modification is too large, depending on the conditions of the surface modification treatment, the influence of the modification treatment extends to the deep part of the substrate, the substrate deteriorates, and the workability when producing the separator In some cases, the strength (such as puncture strength) of the manufactured separator tends to decrease. If the average pore diameter before modification is too small, the separator may not have sufficient ion permeability.
The average pore diameter of the second PP layer is preferably substantially the same as that of the first PP layer. Moreover, it is preferable that the average pore diameter of PE layer is larger than both PP layers in order to ensure a higher porosity.
As said resin film, the commercial item provided with the above characteristics may be used as it is, and what was manufactured in accordance with the conventionally well-known method may be used.
上記表面改質層は、上記樹脂フィルムの第1PP層表面に対して、コロナ放電処理、プラズマ放電処理等の表面改質処理を施すことにより形成することができる。当該表面改質処理による基材の劣化を抑制する観点からは、より穏やかな条件で実施可能なコロナ放電処理が好ましい。 The surface modification layer can be formed by subjecting the surface of the first PP layer of the resin film to a surface modification treatment such as corona discharge treatment or plasma discharge treatment. From the viewpoint of suppressing deterioration of the substrate due to the surface modification treatment, corona discharge treatment that can be performed under milder conditions is preferable.
上記表面改質処理は、上記多孔性樹脂基材の改質面に対して反射測定されるIRスペクトルにおいて、C=C/C−H強度比(C=C結合の吸光度αとC−H結合の吸光度βとの比の値α/β)が、凡そ0.15〜0.55(好ましくは0.2〜0.5)の範囲となるように実施する。例えば、コロナ処理放電により表面改質層を形成する場合、一般的なコロナ表面処理装置を用いて、上記C=C/C−H強度比が上記範囲となるように、出力、処理時間、送り速度等を適宜設定すればよい。例えば、コロナ放電の照射量が25〜110W・分/m2(好ましくは30〜100W・分/m2)となるように、コロナ放電を照射することにより、上記C=C/C−H強度比が上記範囲となり得る。
本明細書において、C=C結合の吸光度αとしては、C=C結合の伸縮振動による吸光に起因して1630cm−1近傍に現れるピークの強度(ピークトップ)を採用するものとする。また、C−H結合の吸光度βとしては、メチル基(PPの側鎖)の三個のC−H結合の対称変角振動による吸光に起因して1375cm−1近傍に現れるピークの強度(ピークトップ)を採用するものとする。IR測定は、反射測定法(例えば、ATR法(attenuated total reflection法;減衰全反射法))により表面改質層を有する面に対して行う。また、上記各強度としては、基線をゼロとして補正した各ピークトップの値を採用する。なお、上記C=C結合の伸縮振動による吸光は、改質前の樹脂フィルムのIRスペクトルには見られず、改質後のIRスペクトルに新たに現れるものである。これは、上記表面改質処理によって水素脱離が起こり、C=C結合が生成されることによると考えられる。
The surface modification treatment is performed by using a C = C / C—H intensity ratio (C = C bond absorbance α and C—H bond) in an IR spectrum measured by reflection on the modified surface of the porous resin substrate. Is carried out so that the ratio α / β of the ratio to the absorbance β is in the range of about 0.15 to 0.55 (preferably 0.2 to 0.5). For example, when a surface modified layer is formed by corona treatment discharge, using a general corona surface treatment apparatus, the output, treatment time, and feed are set so that the C = C / C—H intensity ratio falls within the above range. What is necessary is just to set speed etc. suitably. For example, the C = C / C−H intensity is obtained by irradiating the corona discharge so that the irradiation amount of the corona discharge is 25 to 110 W · min / m 2 (preferably 30 to 100 W · min / m 2 ). The ratio can be in the above range.
In this specification, as the absorbance α of the C═C bond, the peak intensity (peak top) appearing in the vicinity of 1630 cm −1 due to the absorption due to the stretching vibration of the C═C bond is adopted. Further, the absorbance β of the C—H bond is the intensity of the peak appearing in the vicinity of 1375 cm −1 due to the absorption due to the symmetrical bending vibration of the three C—H bonds of the methyl group (side chain of PP). Top) shall be adopted. The IR measurement is performed on a surface having a surface modified layer by a reflection measurement method (for example, an ATR method (attenuated total reflection method)). Moreover, as each said intensity | strength, the value of each peak top correct | amended by making a base line into zero is employ | adopted. The light absorption due to the stretching vibration of the C═C bond is not seen in the IR spectrum of the resin film before modification, but newly appears in the IR spectrum after modification. This is considered to be due to the fact that hydrogen desorption occurs by the surface modification treatment and a C═C bond is generated.
上記表面改質層は、平均孔径が(すなわち、第1PP層の改質後の平均孔径)が0.01μm〜0.12μm程度であることが好ましい。改質後の平均孔径が大きすぎると、セラミックス層形成材料を付与する際に、そこに含まれる各種成分(無機フィラー、バインダ等)の粒子により、空孔が目詰まりを起こして、イオン透過性が著しく損なわれる場合がある。上記改質後の平均孔径は、例えば、改質前の平均孔径が0.01μm〜0.1μm程度の樹脂フィルムを用いて、コロナ放電処理を上記設定にて行うことにより実現することができる。 The surface modified layer preferably has an average pore size (that is, an average pore size after modification of the first PP layer) of about 0.01 μm to 0.12 μm. If the average pore diameter after modification is too large, the pores will be clogged by particles of various components (inorganic filler, binder, etc.) contained in the ceramic layer forming material, and ion permeability May be significantly impaired. The average pore diameter after the modification can be realized, for example, by performing a corona discharge treatment with the above settings using a resin film having an average pore diameter before modification of about 0.01 μm to 0.1 μm.
上記セラミックス層は、上記表面改質層上に、セラミックス層形成材料を付与(典型的には塗布)して乾燥させることにより形成することができる。上記セラミックス層形成材料としては、無機フィラーとバインダとを適当な溶媒に溶解または分散させたものを用いることができる。 The ceramic layer can be formed by applying (typically applying) a ceramic layer forming material on the surface modified layer and drying it. As the ceramic layer forming material, a material in which an inorganic filler and a binder are dissolved or dispersed in an appropriate solvent can be used.
上記無機フィラー(充填材)としては、電気絶縁性が高く、融点が上記PP層の融点よりも著しく高い(例えば、凡そ190℃以上)の無機化合物からなる粒子を用いることができる。例えば、チタニア(酸化チタン;TiO2)、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化鉄、セリア、イットリア等の酸化物系セラミックス等から選択される一種または二種以上の無機化合物を粒子状に調整したものが使用され得る。特に好ましい無機化合物として、チタニア、アルミナが例示される。上記無機化合物粒子の一次粒径は、上記表面改質層の平均孔径よりも大きいことが好ましく、例えば、0.15μm〜2μm(より好ましくは0.2μm〜1.5μm)程度とすることができる。また、比表面積は2〜13m2/g程度であることが好ましい。 As said inorganic filler (filler), the particle | grains which consist of an inorganic compound with high electrical insulation and melting | fusing point remarkably higher than the melting | fusing point of the said PP layer (for example, about 190 degreeC or more) can be used. For example, one or more inorganic compounds selected from oxide ceramics such as titania (titanium oxide; TiO 2 ), alumina, silica, magnesia, zirconia, zinc oxide, iron oxide, ceria, yttria, etc. are in the form of particles. The one adjusted to can be used. Particularly preferred inorganic compounds include titania and alumina. The primary particle diameter of the inorganic compound particles is preferably larger than the average pore diameter of the surface modified layer, and can be, for example, about 0.15 μm to 2 μm (more preferably 0.2 μm to 1.5 μm). . The specific surface area is preferably about 2 to 13 m 2 / g.
上記バインダは結着剤として機能しうるものであれば特に制限されないが、水素結合可能な官能基(水素結合性官能基;−COOH,−OH等)を含む樹脂を用いることが好ましい。かかるバインダによると、その水素結合性官能基が、上記表面改質層の水素結合性官能基(表面改質処理により導入され得る。)と水素結合することから、上記セラミックス層の上記基材に対する投錨性を高めることができる。かかる樹脂バインダの具体例としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のセルロース系樹脂;側鎖に水素結合性官能基を含むアクリル系樹脂;ポリビニリデンフロライド(PVDF)等のフッ素系樹脂;等が挙げられる。これらバインダは、一種のみを単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いることができる。例えば、CMC等のセルロース系樹脂とアクリル系樹脂との組み合わせが好ましく使用され得る。これらバインダの平均粒径は、上記表面改質層の平均孔径よりも大きいことが好ましく、典型的には0.09μm〜0.15μm程度のものが用いられる。 The binder is not particularly limited as long as it can function as a binder, but it is preferable to use a resin containing a functional group capable of hydrogen bonding (hydrogen-bonding functional group; —COOH, —OH, etc.). According to such a binder, the hydrogen bonding functional group is hydrogen bonded to the hydrogen bonding functional group of the surface modified layer (which can be introduced by surface modification treatment), so that the ceramic layer with respect to the base material is bonded. Throwing ability can be improved. Specific examples of such resin binders include cellulose resins such as carboxymethylcellulose (CMC); acrylic resins containing hydrogen bonding functional groups in the side chains; fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF); It is done. These binders can be used alone or in combination of two or more. For example, a combination of a cellulose resin such as CMC and an acrylic resin can be preferably used. The average particle diameter of these binders is preferably larger than the average pore diameter of the surface modified layer, and typically about 0.09 μm to 0.15 μm is used.
上記セラミックス層形成材料に配合される上記バインダの形態は特に制限されず、粒子状(粉末状)のものをそのまま用いてもよく、溶液状あるいはエマルション状に調製したものを用いてもよい。二種以上のバインダを、それぞれ異なる形態で用いてもよい。例えば、粉末状または溶液状(水溶液状)のCMCと、エマルション状のアクリル系樹脂とを組み合わせて用いることができる。エマルション状のバインダを使用する場合、その粘度は、セラミックス層形成材料の所望の固形分濃度(NV)や取扱性等に基づき適宜選択すればよい。 The form of the binder to be blended in the ceramic layer forming material is not particularly limited, and a particulate (powder) form may be used as it is, or a solution or emulsion prepared may be used. Two or more kinds of binders may be used in different forms. For example, a powdery or solution (aqueous solution) CMC and an emulsion acrylic resin can be used in combination. When an emulsion binder is used, the viscosity may be appropriately selected based on a desired solid content concentration (NV) of the ceramic layer forming material, handleability, and the like.
上記無機フィラーと上記バインダとの配合割合としては、これらの質量比(NV基準)を94:6〜99:1程度とすることが好ましい。上記バインダの配合量が少なすぎると、上記セラミックス層の投錨性やセラミックス層自体の強度(保形性)が低下して、ヒビや剥落等の不具合が生じることがある。上記バインダの配合量が多すぎると、上記表面改質層が目詰まりを起こしたり、セラミックス層の多孔性が不足したりして、セパレータのイオン透過性が低下する場合がある。
上記セラミックス層形成材料のNVは、20〜50%程度とすることが好ましい。
As a blending ratio of the inorganic filler and the binder, the mass ratio (NV basis) is preferably about 94: 6 to 99: 1. If the blending amount of the binder is too small, the anchoring property of the ceramic layer and the strength (shape retention) of the ceramic layer itself may be deteriorated, resulting in defects such as cracks and peeling. If the amount of the binder is too large, the surface modified layer may be clogged, or the ceramic layer may have insufficient porosity, which may reduce the ion permeability of the separator.
The NV of the ceramic layer forming material is preferably about 20 to 50%.
これら成分を溶解または分散させる溶媒は特に制限されず、例えば、水、エタノール等のアルコール類、N−メチルピロリドン(NMP)、トルエン、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等から適宜選択して用いることができる。水系溶媒(典型的には水)の場合には、上述のような表面改質が特に有効であり、上記セラミックス層形成材料が付与される面の濡れ性が向上されることにより、水溶液または水分散液のハジキが防止され得る。
上記セラミックス層形成材料には、必要に応じ、上記セパレータの機能および作製する二次電池の性能を損なわない範囲で、界面活性剤、湿潤剤、分散剤、増粘剤、消泡剤、pH調整剤(酸、アルカリ等)等の各種添加剤を配合してもよい。
The solvent for dissolving or dispersing these components is not particularly limited, and is appropriately selected from, for example, water, alcohols such as ethanol, N-methylpyrrolidone (NMP), toluene, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. Can be used. In the case of an aqueous solvent (typically water), the surface modification as described above is particularly effective, and the wettability of the surface to which the ceramic layer forming material is applied is improved, so that an aqueous solution or water The repellency of the dispersion can be prevented.
For the ceramic layer forming material, a surfactant, a wetting agent, a dispersing agent, a thickening agent, an antifoaming agent, and a pH adjustment are applied to the ceramic layer forming material as long as the function of the separator and the performance of the secondary battery to be manufactured are not impaired. You may mix | blend various additives, such as an agent (an acid, an alkali, etc.).
上記表面改質層に上記セラミックス層形成材料を塗付する方法は特に制限されず、例えば、ダイコーター、グラビアロールコーター、リバースロールコーター、キスロールコーター、ディップロールコーター、バーコーター、エアナイフコーター、スプレーコーター、ブラッシュコーター、スクリーンコーター等を用いて行うことができる。 The method for applying the ceramic layer forming material to the surface modification layer is not particularly limited. For example, a die coater, gravure roll coater, reverse roll coater, kiss roll coater, dip roll coater, bar coater, air knife coater, spray A coater, a brush coater, a screen coater or the like can be used.
塗布後の乾燥工程は、従来公知の方法を適宜選択して実施することができる。例えば、上記PE層の融点よりも低い温度(例えば、80℃〜100℃程度)に保持して乾燥させる方法、あるいは低温減圧下に保持して乾燥させる方法等が挙げられる。
上記セラミックス層の乾燥後の厚みは、1μm〜12μm(より好ましくは2μm〜8μm)程度であることが好ましい。上記セラミックス層の厚みが大きすぎると、上記セパレータの取扱性や加工性が低下したり、ヒビや剥落等の不具合が起こりやすくなったりすることがある。厚みが小さすぎると、短絡防止効果が低減したり、保持可能な電解液量が低下したりする場合がある。
The drying process after application can be performed by appropriately selecting a conventionally known method. For example, a method of holding and drying at a temperature lower than the melting point of the PE layer (for example, about 80 ° C. to 100 ° C.) or a method of holding and drying at a low temperature under reduced pressure can be used.
The thickness of the ceramic layer after drying is preferably about 1 μm to 12 μm (more preferably 2 μm to 8 μm). If the thickness of the ceramic layer is too large, the handleability and workability of the separator may be reduced, and defects such as cracks and peeling may easily occur. If the thickness is too small, the short-circuit prevention effect may be reduced, or the amount of electrolyte that can be retained may be reduced.
本発明によると、正負いずれかの電極または両電極の活物質層上にセラミックス層を付与するという態様に比べて、セラミックス層をセパレータ上に付与することにより、セパレータ自体の熱収縮抑制効果が得られることから、短絡防止を図るとともに、シャットダウン時の充放電停止をより確実に実現できるという利点がある。 According to the present invention, the effect of suppressing the thermal shrinkage of the separator itself can be obtained by applying the ceramic layer on the separator as compared with the aspect of applying the ceramic layer on either the positive or negative electrode or the active material layer of both electrodes. Therefore, there are advantages that it is possible to prevent short circuit and more reliably realize charge / discharge stop at the time of shutdown.
上述のように、ここに開示される技術によると、高い信頼性で優れた安全性能を発揮し得、且つ非水電解液の保持性に優れたセパレータを形成することができる。したがって、ここに開示される事項には、ここに開示されるいずれかのセパレータを製造する方法であって:上記樹脂フィルムの第1PP層に表面改質処理を施して、表面改質層を形成する工程(A)、ここで、上記表面改質処理は、当該基材の改質面に対して測定されるIRスペクトルにおいて、C=C結合の吸光度αとC−H結合の吸光度βとの比の値α/β(C=C/C−H強度比)が、0.015〜0.055(好ましくは0.02〜0.05)の範囲となるように実施される;および、上記表面改質層上に無機フィラーとバインダとを少なくとも含む絶縁性セラミックス層を形成する工程(B);を包含する、セパレータの製造方法が含まれる。 As described above, according to the technology disclosed herein, it is possible to form a separator that can exhibit excellent safety performance with high reliability and that has excellent nonaqueous electrolyte retention. Therefore, the matter disclosed herein is a method for producing any of the separators disclosed herein: forming a surface modified layer by subjecting the first PP layer of the resin film to surface modification treatment Step (A) in which the surface modification treatment is performed by comparing the C = C bond absorbance α and the C—H bond absorbance β in the IR spectrum measured for the modified surface of the substrate. The ratio value α / β (C = C / C—H intensity ratio) is carried out in the range of 0.015-0.055 (preferably 0.02-0.05); and A separator manufacturing method including a step (B) of forming an insulating ceramic layer containing at least an inorganic filler and a binder on the surface modification layer.
ここに開示されるセパレータ製造方法の好ましい一態様では、上記樹脂フィルム(改質前)の突刺し強度に対する上記基材(改質後)の突刺し強度の百分率(以下、突刺し強度比ともいう。)が90%以上である。このように、基材の強度を高レベルに維持しつつ表面改質処理を実施することにより、上記セラミックス層形成材料に対する濡れ性および上記セラミックス層に対する接着性に優れ、かつ好適な強度を有する樹脂基材を得ることができる。したがって、安全性能に優れ、より信頼性の高いセパレータが提供され得る。上記突刺し強度比が低すぎると、形成されたセパレータの耐破膜性が低下することがある。上記突刺し強度比の上限は特に制限されないが、通常は、かかる表面改質処理によって突刺し強度が凡そ2%以上低下する傾向にあることから、概ね98%程度とすることができる。なお、上記突刺し強度としては、実施例中に記載される方法によって測定した値を採用するものとする。 In a preferred embodiment of the separator manufacturing method disclosed herein, the percentage of the piercing strength of the base material (after modification) relative to the piercing strength of the resin film (before modification) (hereinafter also referred to as the piercing strength ratio). .) Is 90% or more. Thus, by carrying out the surface modification treatment while maintaining the strength of the base material at a high level, the resin has excellent wettability to the ceramic layer forming material and adhesion to the ceramic layer, and has a suitable strength. A substrate can be obtained. Therefore, a separator having excellent safety performance and higher reliability can be provided. If the piercing strength ratio is too low, the film resistance of the formed separator may be lowered. The upper limit of the puncture strength ratio is not particularly limited, but normally, the puncture strength tends to be reduced by about 2% or more by such surface modification treatment, and can be about 98%. In addition, as the puncture strength, a value measured by the method described in the examples is adopted.
上述のように、ここに開示されるセパレータは、信頼性が高く優れた短絡防止機能およびシャットダウン機能、ならびに優れた非水電解液保持性を有することから、エネルギー密度が高く、より高度な安全性能が求められるリチウムイオン二次電池のセパレータとして好適である。したがって、本発明によると、さらに、ここに開示されるいずれかのセパレータ(ここに開示される方法により製造されたセパレータを含む。)を備えたリチウムイオン二次電池が提供される。 As described above, the separator disclosed herein has high energy density and higher safety performance because it has a reliable and excellent short-circuit prevention function and shutdown function, and excellent nonaqueous electrolyte retention. Is suitable as a separator for lithium ion secondary batteries. Therefore, according to the present invention, there is further provided a lithium ion secondary battery including any separator disclosed herein (including a separator manufactured by the method disclosed herein).
ここに開示されるリチウムイオン二次電池は、ここに開示されるいずれかのセパレータとともにリチウムイオンを吸蔵および放出可能な正負の電極を有する電極体と、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒(非水溶媒)中に含む非水電解液と、を備える。 The lithium ion secondary battery disclosed herein includes an electrode body having positive and negative electrodes capable of occluding and releasing lithium ions together with any of the separators disclosed herein, and a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent (non- A non-aqueous electrolyte solution contained in an aqueous solvent).
以下、図面を参照しつつ、ここに開示されるセパレータの適用対象たるリチウムイオン二次電池について、セパレータ50(図1)を含む電極体と非水電解液とが角型形状の電池ケースに収容された態様のリチウムイオン二次電池100(図4)を例にして更に詳しく説明するが、本発明の適用対象をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。すなわち、本発明に係るセパレータを備えたリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されず、その電池ケース、電極体等は、用途や容量に応じて、素材、形状、大きさ等を適宜選択することができる。例えば、電池ケースは、直方体状、扁平形状、円筒形状等であり得る。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, with reference to the drawings, for a lithium ion secondary battery to which the separator disclosed herein is applied, an electrode body including the separator 50 (FIG. 1) and a non-aqueous electrolyte are accommodated in a rectangular battery case. The lithium ion secondary battery 100 (FIG. 4) of the embodiment thus described will be described in more detail as an example, but the application target of the present invention is not intended to be limited to such an embodiment. That is, the shape of the lithium ion secondary battery including the separator according to the present invention is not particularly limited, and the battery case, electrode body, and the like are appropriately selected in terms of material, shape, size, and the like according to the application and capacity. be able to. For example, the battery case may have a rectangular parallelepiped shape, a flat shape, a cylindrical shape, or the like. In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.
本実施形態に係る電池100は、図4,5に示されるように、捲回電極体20を、図示しない電解液とともに、該電極体20の形状に対応した扁平な箱状の電池ケース10の開口部12より内部に収容し、該ケース10の開口部12を蓋体14で塞ぐことによって構築することができる。また、蓋体14には、外部接続用の正極端子38および負極端子48が、それら端子の一部が蓋体14の表面側に突出するように設けられている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
上記非水電解液に含まれる支持塩としては、一般的なリチウムイオン二次電池に支持塩として用いられるリチウム塩を、適宜選択して使用することができる。かかるリチウム塩として、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiCF3SO3等が例示される。かかる支持塩は、一種のみを単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。特に好ましい例として、LiPF6が挙げられる。上記非水電解液は、例えば、上記支持塩の濃度が0.7〜1.6mol/Lの範囲内となるように調製することが好ましい。 As the supporting salt contained in the nonaqueous electrolytic solution, a lithium salt used as a supporting salt in a general lithium ion secondary battery can be appropriately selected and used. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiCF 3 SO 3 and the like. These supporting salts can be used alone or in combination of two or more. A particularly preferred example is LiPF 6 . The nonaqueous electrolytic solution is preferably prepared so that the concentration of the supporting salt is within a range of 0.7 to 1.6 mol / L, for example.
上記非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられる有機溶媒を適宜選択して使用することができる。特に好ましい非水溶媒として、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が例示される。これら有機溶媒は、一種のみを単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。 As said non-aqueous solvent, the organic solvent used for a general lithium ion secondary battery can be selected suitably, and can be used. Particularly preferred non-aqueous solvents include carbonates such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), and propylene carbonate (PC). These organic solvents can be used alone or in combination of two or more.
上記電極体20は、長尺シート状の正極集電体32の表面に正極活物質層34が形成された正極シート30と、長尺シート状の負極集電体42の表面に負極活物質層44が形成された負極シート40とを、2枚の長尺シート状のセパレータ50と共に重ね合わせて捲回し、得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。
The
ここに開示されるいずれかのセパレータを、セパレータ50として使用することができる。セパレータ50は、正極シート30および負極シート40の間に介在され、正極シート30の正極活物質層34と、負極シート40の負極活物質層44にそれぞれ接するように配置される。そして、セパレータ50のセラミックス層300および樹脂基材200の空孔内に上記電解液を含浸させることにより電極間のイオン伝導パス(導電経路)を形成することができる。なお、セパレータ50として、片面にセラミックス層を有するセパレータを用いる場合、当該セラミックス層をどちら向きに配置するかは特に制限されない。
Any separator disclosed herein can be used as the
正極シート30は、その長手方向に沿う一方の端部において、正極活物質層34が設けられておらず(あるいは除去されて)、正極集電体32が露出するよう形成されている。同様に、捲回される負極シート40は、その長手方向に沿う一方の端部において、負極活物質層44が設けられておらず(あるいは除去されて)、負極集電体42が露出するように形成されている。そして、正極集電体32の該露出端部に正極端子38が、負極集電体42の該露出端部には負極端子48がそれぞれ接合され、上記扁平形状に形成された捲回電極体20の正極シート30または負極シート40と電気的に接続されている。正負極端子38,48と正負極集電体32,42とは、例えば超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。
The
上記正極活物質層34は、例えば、正極活物質を、必要に応じて導電材、結着剤(バインダ)等とともに適当な溶媒に分散させたペーストまたはスラリー状の組成物(正極合材)を正極集電体32に付与し、該組成物を乾燥させることにより好ましく作製することができる。
The positive electrode
正極活物質としては、リチウムを吸蔵および放出可能な材料が用いられ、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質(例えば層状構造の酸化物やスピネル構造の酸化物)の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムマグネシウム系複合酸化物等のリチウム含有複合酸化物が挙げられる。
ここで、リチウムニッケル系複合酸化物とは、リチウム(Li)とニッケル(Ni)とを構成金属元素とする酸化物のほか、リチウムおよびニッケル以外に他の少なくとも一種の金属元素(すなわち、LiとNi以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を、原子数換算でニッケルと同程度またはニッケルよりも少ない割合(典型的にはニッケルよりも少ない割合)で構成金属元素として含む酸化物をも包含する意味である。上記LiおよびNi以外の金属元素は、例えば、コバルト(Co),アルミニウム(Al),マンガン(Mn),クロム(Cr),鉄(Fe),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される一種または二種以上の金属元素であり得る。なお、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物およびリチウムマグネシウム系複合酸化物についても同様の意味である。
また、一般式がLiMPO4(MはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種以上の元素;例えばLiFePO4、LiMnPO4)で表記されるオリビン型リン酸リチウムを上記正極活物質として用いてもよい。
正極合材に含まれる正極活物質の量は、適宜選択することができ、例えば、80〜95質量%程度とすることができる。
As the positive electrode active material, a material capable of inserting and extracting lithium is used, and one or more of materials conventionally used in lithium ion secondary batteries (for example, an oxide having a layered structure or an oxide having a spinel structure) are used. It can be used without any particular limitation. Examples thereof include lithium-containing composite oxides such as lithium nickel composite oxides, lithium cobalt composite oxides, lithium manganese composite oxides, and lithium magnesium composite oxides.
Here, the lithium nickel-based composite oxide is an oxide having lithium (Li) and nickel (Ni) as constituent metal elements, and at least one other metal element (that is, Li and nickel) in addition to lithium and nickel. An oxide containing a transition metal element other than Ni and / or a typical metal element) as a constituent metal element at a rate equivalent to or less than nickel in terms of the number of atoms (typically less than nickel) It means to include. Examples of the metal element other than Li and Ni include, for example, cobalt (Co), aluminum (Al), manganese (Mn), chromium (Cr), iron (Fe), vanadium (V), magnesium (Mg), and titanium (Ti ), Zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La) And one or more metal elements selected from the group consisting of cerium (Ce). The same meaning applies to lithium cobalt complex oxides, lithium manganese complex oxides, and lithium magnesium complex oxides.
Further, an olivine type lithium phosphate represented by the general formula LiMPO 4 (M is at least one element of Co, Ni, Mn, and Fe; for example, LiFePO 4 , LiMnPO 4 ) is used as the positive electrode active material. Also good.
The amount of the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture can be selected as appropriate, and can be, for example, about 80 to 95% by mass.
導電材としては、カーボン粉末やカーボンファイバー等の導電性粉末材料が好ましく用いられる。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、グラファイト粉末等が好ましい。導電材は、一種のみを単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。
正極合材に含まれる導電材の量は、正極活物質の種類や量に応じて適宜選択すればよく、例えば、4〜15質量%程度とすることができる。
As the conductive material, a conductive powder material such as carbon powder or carbon fiber is preferably used. As the carbon powder, various carbon blacks such as acetylene black, furnace black, ketjen black, and graphite powder are preferable. A conductive material can be used alone or in combination of two or more.
What is necessary is just to select suitably the quantity of the electrically conductive material contained in a positive electrode compound material according to the kind and quantity of a positive electrode active material, for example, can be about 4-15 mass%.
結着剤としては、例えば、水に溶解する水溶性ポリマーや、水に分散するポリマー、非水溶媒(有機溶媒)に溶解するポリマー等から適宜選択して用いることができる。また、一種のみを単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
水溶性ポリマーとしては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート(HPMCP)、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。
水分散性ポリマーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)、アラビアゴム等のゴム類等が挙げられる。
非水溶媒(有機溶媒)に溶解するポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリプロピレンオキサイド(PPO)、ポリエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体(PEO−PPO)等が挙げられる。
結着剤の添加量は、正極活物質の種類や量に応じて適宜選択すればよく、例えば、上記正極合材の1〜5質量%程度とすることができる。
As the binder, for example, a water-soluble polymer that dissolves in water, a polymer that disperses in water, a polymer that dissolves in a non-aqueous solvent (organic solvent), and the like can be appropriately selected and used. Moreover, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used in combination.
Examples of the water-soluble polymer include carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), cellulose acetate phthalate (CAP), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), hydroxypropylmethylcellulose phthalate (HPMCP), and polyvinyl alcohol (PVA). It is done.
Examples of the water-dispersible polymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and ethylene-tetra. Fluorine resin such as fluoroethylene copolymer (ETFE), vinyl acetate copolymer, styrene butadiene block copolymer (SBR), acrylic acid-modified SBR resin (SBR latex), rubbers such as gum arabic, etc. It is done.
Examples of the polymer dissolved in the non-aqueous solvent (organic solvent) include, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene chloride (PVDC), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and polyethylene oxide-propylene oxide copolymer. (PEO-PPO) and the like.
What is necessary is just to select the addition amount of a binder suitably according to the kind and quantity of a positive electrode active material, for example, can be about 1-5 mass% of the said positive electrode compound material.
正極集電体32には、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。正極集電体32の形状は、リチウムイオン二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。本実施形態ではシート状のアルミニウム製の正極集電体32が用いられ、捲回電極体20を備えるリチウムイオン二次電池100に好ましく使用され得る。かかる実施形態では、例えば、厚みが10μm〜30μm程度のアルミニウムシートが好ましく使用され得る。
For the positive electrode
また、上記負極活物質層44は、例えば、負極活物質を、結着剤(バインダ)等ともに適当な溶媒に分散させたペーストまたはスラリー状の組成物(負極合材)を負極集電体42に付与し、該組成物を乾燥させることにより好ましく作製することができる。
The negative electrode
負極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、好適な負極活物質としてカーボン粒子が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が好ましく用いられる。いわゆる黒鉛質のもの(グラファイト)、難黒鉛化炭素質のもの(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質のもの(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。中でも特に、天然黒鉛等の黒鉛粒子を好ましく使用することができる。黒鉛粒子は、電荷担体としてのリチウムイオンを好適に吸蔵することができるため導電性に優れる。また、粒径が小さく単位体積当たりの表面積が大きいことからより急速充放電(例えば高出力放電)に適した負極活物質となり得る。
負極合材に含まれる負極活物質の量は特に限定されないが、好ましくは90〜99質量%程度、より好ましくは95〜99質量%程度である。
As the negative electrode active material, one type or two or more types of materials conventionally used in lithium ion secondary batteries can be used without any particular limitation. For example, a carbon particle is mentioned as a suitable negative electrode active material. A particulate carbon material (carbon particles) containing a graphite structure (layered structure) at least partially is preferably used. Any carbon material of a so-called graphitic material (graphite), non-graphitizable carbon material (hard carbon), easily graphitized carbon material (soft carbon), or a combination of these materials is preferably used. obtain. Among these, graphite particles such as natural graphite can be preferably used. Since the graphite particles can suitably occlude lithium ions as charge carriers, they are excellent in conductivity. Moreover, since the particle size is small and the surface area per unit volume is large, it can be a negative electrode active material more suitable for rapid charge / discharge (for example, high output discharge).
The amount of the negative electrode active material contained in the negative electrode mixture is not particularly limited, but is preferably about 90 to 99% by mass, more preferably about 95 to 99% by mass.
結着剤には、上述の正極と同様のものを、一種のみを単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。結着剤の添加量は、負極活物質の種類や量に応じて適宜選択すればよく、例えば、負極合材の1〜5質量%程度とすることができる。 As the binder, the same positive electrode as that described above can be used alone or in combination of two or more. What is necessary is just to select the addition amount of a binder suitably according to the kind and quantity of a negative electrode active material, for example, can be about 1-5 mass% of a negative electrode compound material.
負極集電体42としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、銅または銅を主成分とする合金を用いることができる。また、負極集電体42の形状は、リチウムイオン二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。本実施形態ではシート状の銅製の負極集電体42が用いられ、捲回電極体20を備えるリチウムイオン二次電池100に好ましく使用され得る。かかる実施形態では、例えば、厚みが5μm〜30μm程度の銅製シートが好ましく使用され得る。
As the negative electrode
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。なお、以下の説明において「部」および「%」は、特に断りがない限り質量基準である。 Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples. In the following description, “parts” and “%” are based on mass unless otherwise specified.
[セパレータの作製]
<例1>
厚さ20μmのPP−PE−PP三層フィルム(空孔率47%,透気度400秒/100cc,PP層平均孔径0.02μm)(表面未改質)を例1に係る樹脂基材とした。
酸化チタン(TiO2)(一次粒径0.25μm,比表面積7−10m2/g)とCMCとアクリル系樹脂とを、これらの質量比が97:1:2、NVが40%となるようにイオン交換水に分散させてセラミックス層形成材料を作製した。
上記樹脂基材の第1PP層(表面未改質)に対し、上記セラミックス層形成材料を乾燥後の厚みが4μmとなるように塗布乾燥してセラミックス層を形成し、例1に係るセパレータを得た。
[Preparation of separator]
<Example 1>
A PP-PE-PP three-layer film having a thickness of 20 μm (a porosity of 47%, an air permeability of 400 seconds / 100 cc, a PP layer average pore diameter of 0.02 μm) (surface unmodified) and a resin base material according to Example 1 did.
Titanium oxide (TiO 2 ) (primary particle size of 0.25 μm, specific surface area of 7-10 m 2 / g), CMC, and acrylic resin are such that their mass ratio is 97: 1: 2 and NV is 40%. A ceramic layer forming material was prepared by dispersing in ion exchange water.
The ceramic layer-forming material is applied and dried to the first PP layer (unmodified surface) of the resin base material so that the thickness after drying is 4 μm, and a ceramic layer is formed. It was.
<例2>
例1の基材の第1PP層表面に対し、コロナ表面処理装置(春日電機株式会社製、型式「AGI030」)を用いて、コロナ放電の照射量が30W・分/m2となるように、送り速度10m/分にてコロナ放電を照射し、表面改質処理を施して表面改質層を形成して例2の樹脂基材を得た。この基材の表面改質層上に例1と同様にしてセラミックス層を形成し、例2に係るセパレータを得た。
<例3>
コロナ放電の照射量が40W・分/m2となるように表面改質処理をした他は例2と同様にして、例3に係る樹脂基材を得た。この基材を用いた他は例2と同様にしてセラミックス層を形成し、例3に係るセパレータを得た。
<例4>
コロナ放電の照射量が50W・分/m2となるように表面改質処理をした他は例2と同様にして、例4に係る樹脂基材を得た。この基材を用いた他は例2と同様にしてセラミックス層を形成し、例4に係るセパレータを得た。
<例5>
コロナ放電の照射量が100W・分/m2となるように表面改質処理をした他は例2と同様にして、例5に係る樹脂基材を得た。この基材を用いた他は例2と同様にしてセラミックス層を形成し、例5に係るセパレータを得た。
<例6>
コロナ放電の照射量が120W・分/m2となるように表面改質処理をした他は例2と同様にして、例6に係る樹脂基材を得た。この基材を用いた他は例2と同様にしてセラミックス層を形成し、例6に係るセパレータを得た。
<Example 2>
For the surface of the first PP layer of the base material of Example 1, using a corona surface treatment apparatus (model “AGI030” manufactured by Kasuga Denki Co., Ltd.), the irradiation amount of corona discharge is 30 W · min / m 2 . The resin base material of Example 2 was obtained by irradiating corona discharge at a feed rate of 10 m / min, applying surface modification treatment to form a surface modification layer. A ceramic layer was formed on the surface modification layer of this substrate in the same manner as in Example 1 to obtain a separator according to Example 2.
<Example 3>
A resin base material according to Example 3 was obtained in the same manner as in Example 2 except that the surface modification treatment was performed so that the dose of corona discharge was 40 W · min / m 2 . A ceramic layer was formed in the same manner as in Example 2 except that this substrate was used, and a separator according to Example 3 was obtained.
<Example 4>
A resin substrate according to Example 4 was obtained in the same manner as in Example 2 except that the surface modification treatment was performed so that the irradiation dose of corona discharge was 50 W · min / m 2 . A ceramic layer was formed in the same manner as in Example 2 except that this substrate was used, and a separator according to Example 4 was obtained.
<Example 5>
A resin substrate according to Example 5 was obtained in the same manner as in Example 2 except that the surface modification treatment was performed so that the irradiation dose of corona discharge was 100 W · min / m 2 . A ceramic layer was formed in the same manner as in Example 2 except that this substrate was used, and a separator according to Example 5 was obtained.
<Example 6>
A resin base material according to Example 6 was obtained in the same manner as in Example 2 except that the surface modification treatment was performed so that the irradiation dose of corona discharge was 120 W · min / m 2 . A ceramic layer was formed in the same manner as in Example 2 except that this substrate was used, and a separator according to Example 6 was obtained.
例1〜6の各樹脂基材につき、以下の測定を行った。それらの結果を表1に示す。 The following measurements were performed for each resin substrate of Examples 1-6. The results are shown in Table 1.
[IRスペクトル分析]
各例の樹脂基材を50mm×50mmにカットしたものを試料とし、FT−IR装置(フーリエ変換型赤外分光装置)(Bio Rad Digilab社製、型式「FTS−55A」)を用い、ATR(Attenuated Total Reflection)法によって、各基材の改質面に対してIR測定を行った。得られたFTIR−ATRスペクトルから、上述のようにC=C/C−H強度比(1630cm−1付近の吸光度/1375cm−1付近の吸光度)を求めた。このうち例1の基材のIRスペクトルを図2に、例5の基材のIRスペクトルを図3に示す。なお、図3に示されるのと同様に、例2〜6の基材に係るIRスペクトルには、C=C結合の存在を示す吸光(1630cm−1付近)の他、表面が改質されたことを示すC=O結合(1708cm−1付近)およびO−H結合(3400cm−1付近)による吸光がそれぞれ認められた。
[IR spectrum analysis]
A sample obtained by cutting the resin base material of each example into 50 mm × 50 mm was used as a sample, and an ATR (model “FTS-55A”, manufactured by Bio Rad Digilab Inc.) using an FT-IR apparatus (Fourier transform infrared spectrometer). IR measurement was performed on the modified surface of each substrate by the Attenuated Total Reflection method. From the obtained FTIR-ATR spectrum, the C = C / CH intensity ratio (absorbance near 1630 cm −1 / absorbance near 1375 cm −1 ) was determined as described above. Among these, the IR spectrum of the base material of Example 1 is shown in FIG. 2, and the IR spectrum of the base material of Example 5 is shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 3, the IR spectra of the base materials of Examples 2 to 6 were modified in surface as well as absorption (near 1630 cm −1 ) indicating the presence of C═C bond. Absorption due to C═O bond (near 1708 cm −1 ) and O—H bond (near 3400 cm −1 ) was observed.
[突刺し強度比]
各樹脂基材につき、圧縮試験機(カトーテック株式会社製、型式「KES−G5」)を用い、固定された該基材表面を、速度100mm/分にて、直径1.0mm、先端が半径0.5mmの半球状の針で突刺して針が貫通するまでの荷重(gf)を測定し、その最大値を突刺し強度とした。表面が未処理の基材(例1の基材)の突刺し強度に対する各例の突刺し強度の百分率を、突刺し強度比(%)とした。
[Puncture strength ratio]
Using a compression tester (model “KES-G5” manufactured by Kato Tech Co., Ltd.) for each resin base material, the fixed base material surface is 1.0 mm in diameter at a speed of 100 mm / min, and the tip has a radius. The load (gf) until the needle penetrates with a 0.5 mm hemispherical needle was measured, and the maximum value was defined as the puncture strength. The percentage of the piercing strength of each example with respect to the piercing strength of the untreated substrate (base material of Example 1) was defined as the piercing strength ratio (%).
[セラミックス層付与面の平均孔径]
各樹脂基材の第1PP層表面(すなわち、例2〜6の基材については表面改質層表面)の6μm×6μmの範囲を含むSEM画像から平均孔径(μm)を求めた。
[Average pore diameter of ceramic layer application surface]
The average pore diameter (μm) was determined from an SEM image including a range of 6 μm × 6 μm on the surface of the first PP layer of each resin substrate (that is, the surface modified layer surface for the substrates of Examples 2 to 6).
例1〜6のセパレータにつき、その基材とセラミックス層との界面の剥離強度を以下のとおり測定した。その結果を表1に併せて示す。
[剥離強度]
各セパレータを10mm×100mmにカットして、そのセラミックス層に粘着テープを貼り合わせて試験片を作製した。この試験片を、23℃に1時間保持した後、23℃、相対湿度50%の環境下、引張試験機(株式会社島津製作所製、型式「AG−50kNX」)を用い、剥離角度90°、引張速度100mm/分にて、上記粘着テープ付きセラミックス層を上記基材から剥離したときの応力を測定し、その最大値を剥離強度(N/m)とした。
About the separator of Examples 1-6, the peeling strength of the interface of the base material and a ceramic layer was measured as follows. The results are also shown in Table 1.
[Peel strength]
Each separator was cut into 10 mm × 100 mm, and an adhesive tape was bonded to the ceramic layer to prepare a test piece. After holding this test piece at 23 ° C. for 1 hour, using a tensile tester (manufactured by Shimadzu Corporation, model “AG-50kNX”) in an environment of 23 ° C. and 50% relative humidity, a peeling angle of 90 °, The stress when the adhesive tape-attached ceramic layer was peeled from the substrate at a tensile speed of 100 mm / min was measured, and the maximum value was defined as peel strength (N / m).
[電池の作製]
<例7>
例3のセパレータを用いて、容量が5Ahの角型リチウムイオン二次電池を以下のとおり作製した。
正極合材として、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(正極活物質)とアセチレンブラック(導電材)とPVDF(結着剤)とを、これらの質量比が87:10:3となるように混合し、NVが50%となるようにNMPに分散させて、スラリー状の組成物を調製した。この正極合材を、厚さ15μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布して乾燥させた後、プレスして正極シートを得た。
負極合材として、天然黒鉛(負極活物質)とCMCとSBRとを、これらの質量比が98:1:1となるように混合し、NVが46%となるようにイオン交換水に分散させて、スラリー状の組成物を調製した。この負極合材を、厚さ10μmの銅箔(負極集電体)の両面に塗布して乾燥させた後、プレスして負極シートを得た。
ECとDMCとEMCとを体積比3:3:4の割合で含む混合溶媒中に、LiPF6を1mol/Lの濃度となるように溶解して非水電解液を調製した。
適当な大きさに切り出した上記正極シートおよび負極シートを、上記電解液を含浸させた例3のセパレータとともに重ね合わせて捲回し、得られた捲回電極体を扁平形状に押しつぶし、角型容器に収容した。この容器に上記電解液を注入し、該容器を封止してリチウムイオン二次電池を構築した。この電池に対し、温度25℃にて、1/10Cのレートで4.1Vまで充電する操作と、同じレートで3.0Vまで放電させる操作とを交互に3回繰り返した。次いで、1Cのレートで電圧が4.1Vとなるまで充電し、次いで4.1VでSOC(State of Charge)100%(すなわち、充電量が5Ah相当の電気量)となるまで充電する、定電流定電圧(CC−CV)充電を行って、例7に係るリチウムイオン二次電池を得た。
[Production of battery]
<Example 7>
Using the separator of Example 3, a prismatic lithium ion secondary battery with a capacity of 5 Ah was produced as follows.
As the positive electrode mixture, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (positive electrode active material), acetylene black (conductive material), and PVDF (binder) have a mass ratio of 87:10: 3 was mixed and dispersed in NMP such that NV was 50% to prepare a slurry composition. The positive electrode mixture was applied to both sides of an aluminum foil (positive electrode current collector) having a thickness of 15 μm and dried, and then pressed to obtain a positive electrode sheet.
As a negative electrode mixture, natural graphite (negative electrode active material), CMC, and SBR are mixed so that the mass ratio thereof is 98: 1: 1, and dispersed in ion-exchanged water so that NV is 46%. Thus, a slurry-like composition was prepared. The negative electrode mixture was applied to both sides of a 10 μm thick copper foil (negative electrode current collector), dried, and then pressed to obtain a negative electrode sheet.
LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent containing EC, DMC, and EMC at a volume ratio of 3: 3: 4 to a concentration of 1 mol / L to prepare a non-aqueous electrolyte.
The positive electrode sheet and the negative electrode sheet cut out to appropriate sizes are overlapped and wound together with the separator of Example 3 impregnated with the electrolytic solution, and the obtained wound electrode body is crushed into a flat shape to form a square container. Accommodated. The electrolyte solution was poured into this container, and the container was sealed to construct a lithium ion secondary battery. The operation of charging the battery to 4.1 V at a rate of 1/10 C at a temperature of 25 ° C. and the operation of discharging to 3.0 V at the same rate were repeated three times alternately. Next, the battery is charged at a rate of 1 C until the voltage reaches 4.1 V, and then charged at 4.1 V until the SOC (State of Charge) reaches 100% (that is, the amount of charge corresponding to 5 Ah). The lithium ion secondary battery which concerns on Example 7 was obtained by performing constant voltage (CC-CV) charge.
<例8>
厚さ20μmのPE単層フィルム(空孔率40%,透気度290秒/100cc,平均孔径0.012μm)を用いた他は例3と同様にして、樹脂基材を得た。この基材を用い、例1と同様にしてセラミックス層を形成し、例8に係るセパレータを得た。このセパレータを用いた他は例7と同様にして、例8に係るリチウムイオン二次電池を得た。
<例9>
セパレータとして、例1の樹脂基材(表面未改質)をそのまま用いた。その他は例7と同様にして、例9に係るリチウムイオン二次電池を得た。
<例10>
セパレータとして、厚さ20μmのPE単層フィルム(例8の樹脂基材の作製に用いたPE単層フィルム(表面未改質))を用いた。その他は例7と同様にして、例10に係るリチウムイオン二次電池を得た。
<例11>
例7の正極シートの第1面(第1の活物質層表面)に対し、例2のセラミックス層形成材料を、乾燥後の厚みが4μmとなるように塗布乾燥して、片面にセラミックス層を有する正極シートを作製した。同様に、例7の負極シートを用いて、片面にセラミックス層を有する負極シートを作製した。これら正負の電極シートを用いた他は例9と同様にして(すなわち、例9のセパレータを用いて)、例11に係るリチウムイオン二次電池を得た。
<例12>
例11のセラミックス層付きの正極シートおよび負極シートを用いた他は例10と同様にして(すなわち、例10のセパレータを用いて)、例12に係るリチウムイオン二次電池を得た。
<Example 8>
A resin base material was obtained in the same manner as in Example 3 except that a PE single layer film having a thickness of 20 μm (
<Example 9>
As the separator, the resin substrate of Example 1 (surface unmodified) was used as it was. Otherwise, in the same manner as Example 7, a lithium ion secondary battery according to Example 9 was obtained.
<Example 10>
As a separator, a PE single-layer film having a thickness of 20 μm (a PE single-layer film (surface unmodified) used for preparing the resin base material of Example 8) was used. Others were the same as in Example 7, and the lithium ion secondary battery according to Example 10 was obtained.
<Example 11>
The ceramic layer forming material of Example 2 is applied and dried on the first surface (first active material layer surface) of the positive electrode sheet of Example 7 so that the thickness after drying is 4 μm, and the ceramic layer is formed on one surface. A positive electrode sheet was prepared. Similarly, using the negative electrode sheet of Example 7, a negative electrode sheet having a ceramic layer on one side was produced. A lithium ion secondary battery according to Example 11 was obtained in the same manner as Example 9 (that is, using the separator of Example 9) except that these positive and negative electrode sheets were used.
<Example 12>
A lithium ion secondary battery according to Example 12 was obtained in the same manner as in Example 10 (that is, using the separator of Example 10) except that the positive electrode sheet and the negative electrode sheet with the ceramic layer of Example 11 were used.
例7〜12の各電池につき、以下の測定を行った。それらの結果を表2に示す。 The following measurements were made for each battery of Examples 7-12. The results are shown in Table 2.
[過充電試験]
SOC100%に調整された各電池に対し、温度60℃にて、10Cのレートで20Vまで充電し、次いで20VでSOC200%となるまで充電する、CC−CV充電を行った。このとき、各電池外装缶の複数個所に熱電対を貼り付けて該電池セルの温度を測定し、そのうちの最高温度を過充電最高温度(℃)として記録した。
[Overcharge test]
Each battery adjusted to 100% SOC was charged to 20 V at a rate of 10 C at a temperature of 60 ° C., and then charged to 20% SOC until reaching
[低温出力測定]
各電池をSOC60%(電圧3.7V)の状態に調整し、温度−30℃にて、40W、60W、80Wおよび100Wの定電力(W)で放電させ、放電開始からSOC0%となるまでに要した時間(放電秒数)を測定した。その放電秒数に対して上記定電力放電における電力の値(W)をプロットし、上記放電秒数が2秒となる電力値(すなわち、−30℃においてSOC60%から2秒間でSOC0%まで放電する出力)を、−30℃における放電出力として求めた。
[Low temperature output measurement]
Each battery is adjusted to SOC 60% (voltage 3.7V) and discharged at a constant power (W) of 40W, 60W, 80W and 100W at a temperature of -30 ° C. The time required (discharge seconds) was measured. The power value (W) in the constant power discharge is plotted against the number of discharge seconds, and the power value at which the discharge time is 2 seconds (that is, discharge from SOC 60% at −30 ° C. to
表1に示されるように、C=C/C−H強度比が0.015〜0.055の範囲にある三層樹脂基材を用いてなる例2〜5のセパレータは、突刺し強度比が90%以上(すなわち、改質前後における突刺し強度の低下率が10%以下)と、表面改質処理による基材劣化が少なかった。また、例2〜5のセパレータは、表面が未改質の樹脂基材を用いてなる例1のセパレータと比べ、その基材とセラミックス層との界面の剥離強度が凡そ2倍から3倍近くと、当該基材に対するセラミックス層の投錨性(投錨度)が著しく高かった。更には、例2〜5の各セパレータに用いられた樹脂基材は、いずれも表面改質層の平均孔径が0.12μm以下と、セラミックス層成分による目詰まりが起こり難い表面形状であったことが確認された。一方、例6のセパレータは、平均孔径が0.12μmを超え、目詰まりが起こりやすい表面形状だった。 As shown in Table 1, the separators of Examples 2 to 5 using a three-layer resin base material having a C = C / C-H strength ratio in the range of 0.015 to 0.055 are pierced strength ratios. Was 90% or more (that is, the rate of decrease in puncture strength before and after modification was 10% or less), and there was little deterioration of the substrate due to the surface modification treatment. In addition, the separators of Examples 2 to 5 have a peel strength at the interface between the base material and the ceramic layer of about 2 to 3 times that of the separator of Example 1 using an unmodified resin base material. And the anchoring property (throwing degree) of the ceramic layer with respect to the said base material was remarkably high. Furthermore, the resin base materials used in the separators of Examples 2 to 5 each had an average pore diameter of the surface modified layer of 0.12 μm or less, and had a surface shape in which clogging due to ceramic layer components hardly occurred. Was confirmed. On the other hand, the separator of Example 6 had a surface shape in which the average pore diameter exceeded 0.12 μm and clogging easily occurred.
また、表2に示されるように、例3のセパレータを用いてなる例7の電池は、過充電最高温度が163℃と、PPの融点近傍において充放電が完全に停止し、シャットダウン機能が不具合なく作動したことが認められる結果を示した。また、例7の電池は、−30℃放電出力が180Wと、−30℃という低温においても高い出力を示した。一方、PE単層基材に表面改質を施してセラミックス層を付与したセパレータを用いてなる例8の電池は、過充電最高温度が178℃と、当該基材を構成するPEの融点よりも著しく高く、PEの融点にてシャットダウン機能が作動した後も充放電が一部継続し、電池内の温度が上昇したことを示す結果となった。例8の電池は、−30℃放電出力も例7の電池より低かった。また、セラミックス層なしのセパレータを用いてなる例9,10の電池は、いずれもシャットダウン後に充放電が一部継続し、過充電最高温度が例7の電池よりも約30〜50℃も高かった。また、−30℃放電出力も5W以上低かった。同じように、例9,10と同様のセパレータをそれぞれ用い、両電極シート上にセラミックス層を設けてなる例11,12の電池も、過充電最高温度が例7の電池よりも約20〜30℃高かった。また、これら例11,12の電池は、−30℃放電出力が例7の電池よりも凡そ60W以上も低かった。 Moreover, as shown in Table 2, the battery of Example 7 using the separator of Example 3 has a maximum overcharge temperature of 163 ° C., and charging / discharging completely stops near the melting point of PP, and the shutdown function is defective. The results were found to work without any problems. Further, the battery of Example 7 showed a high output even at a low temperature of −30 ° C., ie, −30 ° C. discharge output of 180 W. On the other hand, the battery of Example 8 using a separator with a ceramic layer provided by applying surface modification to a PE single-layer base material has an overcharge maximum temperature of 178 ° C., which is higher than the melting point of PE constituting the base material. The result was extremely high, indicating that the charge and discharge continued partially even after the shutdown function was activated at the melting point of PE, and the temperature in the battery rose. The battery of Example 8 also had a −30 ° C. discharge output lower than that of Example 7. In addition, in the batteries of Examples 9 and 10 using the separator without the ceramic layer, charging and discharging partially continued after shutdown, and the maximum overcharge temperature was about 30 to 50 ° C. higher than the battery of Example 7. . Further, the -30 ° C. discharge output was also lower by 5 W or more. Similarly, the batteries of Examples 11 and 12 in which the separators similar to those of Examples 9 and 10 are used and the ceramic layers are provided on both electrode sheets also have a maximum overcharge temperature of about 20 to 30 compared to the battery of Example 7. ℃ was high. In addition, the batteries of Examples 11 and 12 had a discharge output of −30 ° C. lower than the battery of Example 7 by about 60 W or more.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
1 車両
20 捲回電極体
30 正極シート
32 正極集電体
34 正極活物質層
38 正極端子
40 負極シート
42 負極集電体
44 負極活物質層
48 負極端子
50 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
200 樹脂基材
210 ポリエチレン層
220,230 ポリプロピレン層
221 表面改質層
300 セラミックス層
DESCRIPTION OF
Claims (4)
(A)内部層としての多孔性ポリエチレン層と、外部層としての第1および第2の多孔性ポリプロピレン層とを有する長尺シート状の多孔性樹脂基材の少なくとも第1面にコロナ放電を照射することにより表面改質処理を施して表面改質層を形成する工程、ここで、前記表面改質処理は、当該多孔性樹脂基材の改質面に対して反射測定される赤外スペクトルにおけるC=C結合の吸光度αとC−H結合の吸光度βとの比の値α/βが、0.015〜0.055の範囲となるように、前記長尺シート状多孔性樹脂基材の送り速度10m/分のときに前記コロナ放電の照射量を25〜110W・分/m 2 に設定し、実施される;および、
(B)前記表面改質層上に絶縁性のセラミックス層を形成する工程;
を包含する、リチウムイオン二次電池用セパレータ製造方法。 A method for producing a long sheet-shaped separator wound together with a long sheet-shaped positive electrode and a negative electrode to constitute a wound electrode body of a lithium ion secondary battery :
(A) Corona discharge is applied to at least the first surface of a long sheet-like porous resin substrate having a porous polyethylene layer as an inner layer and first and second porous polypropylene layers as outer layers. forming a surface modification layer subjected to a surface modification treatment by, where, before Symbol surface modification treatment, the infrared spectrum reflected measured for reforming surface of the porous resin substrate The long sheet-like porous resin base material so that the ratio α / β of the absorbance α of C = C bond and the absorbance β of C—H bond in the range of 0.015 to 0.055 Carried out by setting the irradiation amount of the corona discharge to 25 to 110 W · min / m 2 at a feed rate of 10 m / min ; and
(B) forming an insulating ceramic layer on the surface modified layer;
A separator manufacturing method for a lithium ion secondary battery.
前記セパレータとして請求項1または2に記載の製造方法を実施して製造されたセパレータが備えられている、リチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery comprising a wound electrode body in which a long sheet-like positive electrode and a negative electrode and a long sheet-like separator are wound,
A lithium ion secondary battery provided with a separator manufactured by carrying out the manufacturing method according to claim 1 or 2 as the separator .
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